基于CCSv4環(huán)境下的單相VSR仿控一體化研究

李偉鋒 朱金鳳 朱五軍 盧英豪

（河南中原工學(xué)院）

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基于CCSv4環(huán)境下的單相VSR仿控一體化研究

李偉鋒 朱金鳳 朱五軍 盧英豪

（河南中原工學(xué)院）

摘要：針對代碼自動生成所需TI公司DSP編程軟件CCS3版本對Win7、64位以上版本不兼容問題，本文提出了采用CCS4系統(tǒng)，在最新微軟Win10系統(tǒng)下搭建開發(fā)環(huán)境，并搭建針對部分電路，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性。給出了單相整流控制系統(tǒng)模型，并將優(yōu)化參數(shù)帶入仿真中，得到仿真結(jié)果，而后將仿真模型轉(zhuǎn)換成控制模型并轉(zhuǎn)化成代碼后下載到DSP28335芯片中去，進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相符。

關(guān)鍵詞:CCSv4；單相整流；串級控制；代碼生成；鎖相環(huán)

0引言

CCS（Code Composer Studio）是一個(gè)完整的 DSP 集成開發(fā)環(huán)境，是目前最優(yōu)秀、最流行的 DSP 開發(fā)軟件之一[1]。現(xiàn)在 TI 所有的 DSP 都可以使用該軟件工具進(jìn)行開發(fā)，大部分用戶采用的是CCS3版本，但CCS3對Win7、64位以上版本并不兼容，而CCS4版本能很好地解決這個(gè)問題，本文提出了采用CCS4系統(tǒng)，在最新微軟Win10系統(tǒng)下搭建開發(fā)環(huán)境，并搭建針對部分電路，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性。

TI公司的SEED-DEC28335中主要集成了150M系統(tǒng)時(shí)鐘的DSP、64K×16位的片外SARM、16路片內(nèi)12 位A/D、12路PWM、2路UART、1路CAN、一路高速USB、片外4通道12位D/A和串行EEPROM+RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外設(shè)[2]。這樣能夠用在電機(jī)、電力電子等工業(yè)領(lǐng)域。

本文通過對單相VSR整流器進(jìn)行建模，并在得到正確模型的基礎(chǔ)上，先通過仿真得到好的控制效果，再將仿真模型轉(zhuǎn)換成代碼，并通過實(shí)驗(yàn)證明方法的可行性。

1 單相整流器的建模

單相電壓型PWM整流拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)框圖[3]如圖1所示，其中電網(wǎng)電壓為220V/AC，50Hz。經(jīng)過可調(diào)變壓器輸入，L為整流橋交流側(cè)電感，R為電感的等效電阻，Ua為整流橋交流側(cè)電壓，Udc為整流橋直流側(cè)電壓，idc是整流橋直流側(cè)總電流，ic、i0分別為流過電容和負(fù)載的電流。

圖1　單相整流拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)框圖

其中，Si=1表示開關(guān)管導(dǎo)通，Si=0表示開關(guān)管關(guān)閉，上下開關(guān)管的驅(qū)動信號在同一時(shí)刻是互補(bǔ)的，例如S1為開時(shí)S2就為關(guān)閉狀態(tài)，且S1、S4為一組同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，S2、S3為一組同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)S1、S4導(dǎo)通時(shí)，Ua=-Udc，當(dāng)S2、S3導(dǎo)通時(shí)Ua=-Udc。其中, S=S1—S3利用KVL 和KCL原理得到下式

轉(zhuǎn)化后可得

從式（3）可以看出通過控制Sd和Sq就可控制id和iq。

2 單相整流器的串級控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)以上建立的模型，設(shè)計(jì)如圖2所示的串級控制方案。

圖2　單相VSR整流器系統(tǒng)串級控制框圖

其中，L為整流橋交流側(cè)的電感值，R為電感的等效電阻，C為整流橋直流側(cè)的電容值。由圖1可以看出外環(huán)電壓的調(diào)節(jié)器的輸出作為內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的輸入。

2.1電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)[4]如圖3所示。

圖3　電流內(nèi)環(huán)控制框圖

其中Ts為電流內(nèi)環(huán)采樣周期，電流內(nèi)環(huán)開環(huán)的傳遞函數(shù)為

取Kq/Ki=L/R，得到

此時(shí)閉環(huán)傳遞函數(shù)

按照二階優(yōu)化的條件[5]，得到:

本系統(tǒng)的R=0.5，L=0.011H，Ts=0.00005，得到優(yōu)化的Kp=220，Ki=8000，根據(jù)離散化公式

轉(zhuǎn)換成DSP離散化的Kp*=220，Ki* =0.0022。

2.2電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓外環(huán)的控制框圖如圖4所示。

圖4　電壓外環(huán)控制框圖

由于電流內(nèi)環(huán)的Ts采樣周期很短，可以將內(nèi)環(huán)看成一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的慣性環(huán)節(jié)，通常可以忽略掉其慣性時(shí)間常數(shù)，從而將其看成一個(gè)放大倍數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)，再加上采樣會有一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，可得到外環(huán)的模型，其中Tc為電壓采樣周期。得到電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

根據(jù)三階優(yōu)化[6]的設(shè)計(jì)法對Gu進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，得到KP=C/2Tc，Ki=C/8(Tc)2

本系統(tǒng)硬件平臺的C=0.01F，Tc=0.00005，KP=100，Ki=500000，根據(jù)式（8）轉(zhuǎn)換成DSP離散化的KP*=100，Ki*=0.25。

3實(shí)時(shí)代碼生成技術(shù)

隨著實(shí)時(shí)代碼自動生成技術(shù)的研究逐步深入，傳統(tǒng)的嵌入式代碼編寫方式的劣勢日益突出。傳統(tǒng)代碼編寫方式工作量巨大，過程繁雜，程序錯(cuò)誤隱蔽性強(qiáng)，開發(fā)周期長，運(yùn)行效率低。而實(shí)時(shí)代碼生成技術(shù)則克服以上不足，通過模塊化、圖表化將系統(tǒng)仿真和代碼編寫同時(shí)進(jìn)行。避免了傳統(tǒng)編寫方式中反復(fù)燒寫，反復(fù)調(diào)試的過程，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了軟件開發(fā)難度[7]。

3.1 搭建開發(fā)環(huán)境

首先在主機(jī)上安裝CCSv4，Microsoft Visual c++ 6.0 和MATLAB2011a這三個(gè)軟件,然后安裝仿真器驅(qū)動軟件（SEED-XDS510PLUS），在安裝完該驅(qū)動后，可以在主機(jī)的設(shè)備管理器欄中看到該仿真器驅(qū)動。由于MATLAB需要調(diào)用VC++ 6.0的編譯器，因此這里還需要安裝Microsoft Visual c++ 6.0。

軟件安裝完畢后，需要對MATLAB的軟件接口進(jìn)行設(shè)置，在MATLAB的命令窗口欄，輸入 mex -setup指令，編譯器選擇之前安裝好的Microsoft Visual c++ 6.0。至此實(shí)時(shí)代碼生成的開發(fā)環(huán)境就搭建完成了。

3.2 仿真模型搭建

在MATLAB/Simulink中搭建單相整流器的控制模型，模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　仿真控制模型

該仿真模型主要包括交流側(cè)電壓檢測模塊，直流側(cè)電壓檢測模塊，相位檢測及坐標(biāo)變換模塊，外環(huán)電壓控制模塊，內(nèi)環(huán)電流控制模塊。通過檢測整流橋直流側(cè)電壓Udc和給定的電壓比較，得到的誤差信號經(jīng)過電壓外環(huán)控制器PI運(yùn)算后得到電流給定值，通過檢測整流橋交流側(cè)流入電感電流ia，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到id、iq，與電流給定值進(jìn)行比較，通過PI運(yùn)算及鎖相部分的角度合成后得到控制器的調(diào)制波，調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較后得到IGBT的開關(guān)信號。這樣就達(dá)到了控制的目的。

其中基于MATLAB鎖相部分的模型如圖6所示，其是將相位檢測，濾波還有壓控震蕩結(jié)合起來的得到，Va為電網(wǎng)電壓相位，Angle為實(shí)際輸出，為了使輸入信號Va與反饋信號Angel相位一致，通過park運(yùn)算得到鑒相的誤差電壓，再經(jīng)過濾波得到控制電壓，由控制電壓在壓控振蕩器的作用下得到相位輸出信號。

圖6　鎖相部分模型

3.3 將仿真模型改寫為燒寫程序

對于仿真模型改寫為燒寫程序這一過程，只需要保留控制算法代碼，對于Simulink中的硬件部分，可以刪除，由此可得到可應(yīng)用于自動代碼生成的燒寫模型。

圖7　燒寫模型

3.4仿真結(jié)果

直流側(cè)輸出仿真結(jié)果如圖8所示，給定參考電壓為37V，輸出也保持在37V附近，有一定超調(diào)但很小，調(diào)節(jié)時(shí)間不到2s，無穩(wěn)態(tài)誤差，由此可見電壓輸出還是能很好地控制系統(tǒng)，交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓輸出為圖9所示，可見相位控制也能達(dá)到系統(tǒng)要求。

4 硬件實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過修改得到硬件控制程序，并將程序經(jīng)過代碼生成下載到SEED-DEC28335控制板中，然后用示波器測量交流側(cè)電流和電網(wǎng)電壓，得到圖形如圖10示，可以看出交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓能基本上保持同步，電壓給定值為37V，當(dāng)保證系統(tǒng)輸出達(dá)到37V附近時(shí)，其交流側(cè)的電壓有效值的可調(diào)范圍為20～30V,其范圍的可調(diào)性還是很大的，且電流相位能和電壓相位能得到很好的跟蹤，與仿真能保持一致。

圖8　直流側(cè)電壓Ud c輸出

圖9　電網(wǎng)電壓及交流側(cè)電流

圖10　交流側(cè)電流和電網(wǎng)電壓輸出圖形

5 結(jié)束語

在CCSv4編譯環(huán)境下使用MATLAB代碼自動生成工具（RTW）與SEED-DEC28335控制板相結(jié)合實(shí)現(xiàn)單相VSR整流器控制，能很好地實(shí)現(xiàn)仿真和實(shí)際硬件相結(jié)合，且相位也能得到有效的跟蹤。在保證系統(tǒng)直流側(cè)輸出穩(wěn)定的條件下，輸入交流側(cè)的電壓調(diào)節(jié)范圍還是比較寬的。這種可視化的編程方法不僅直觀可靠、調(diào)試起來非常方便、大大縮短了開發(fā)軟件的周期，并且使開發(fā)者對于系統(tǒng)的機(jī)理有著更清楚的認(rèn)識，所以值得在實(shí)際生產(chǎn)中推廣使用，具有著廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：（2015-11-25）